Characterization of silicon-based piezoelectric MEMS 2D scanning micromirrors and their associated light sources for automotive applications

Abstract

Os MEMS (Sistemas microeletromecânicos) têm vindo a evoluir há muitos anos e estão profundamente enraizados numa quantidade abundante de produtos. É uma indústria dinâmica que se espera que venha a desenvolver produtos emergentes, especialmente na indústria automóvel. Este trabalho faz parte de um projecto de desenvolvimento de novos módulos de microespelhos para funções de luz dinâmica. O sistema de projecção a laser é baseado num micromirror (MEMS) piezo-actuado de scanning. O módulo de iluminação tem como objectivo a iluminação dinâmica de estradas para aplicações automóveis, a fim de melhorar a comunicação entre os utilizadores das rodovias. Este sistema foi concebido, fabricado, e caracterizado na Silicon Austria Labs. Neste trabalho, foram investigados vários microespelhos de escaneamento 2D e fontes de luz monocromática vermelha. Para os microespelhos foram estudados o factor de qualidade, a figura de mérito, o coeficiente de temperatura de frequência e a presença de não linearidades no sistema. Estes parâmetros ajudaram a refinar a modelação e simulações para melhorar futuros desenhos e processos de microfabricação.Para seleccionar uma fonte de luz adequada, foram testados vários díodos laser vermelhos onde foram caracterizados díodos laser da Ushio, Sharp e uma amostra da Osram. Com o objectivo de estudar o funcionamento em modo de pulso em alta frequência (acima de 1MHz), foram caracterizados vários parâmetros: potência média de saída, forma do pulso, comprimento de onda e temperatura em partes do sistema.

Micro-electromechanical systems, also known as MEMS, have been evolving for many years and are deeply embedded in an abundant amount of products. It is a dynamic industry that is still expected to deliver emerging products, especially in the automotive industry. This work is part of a project to develop new micromirror modules for dynamic light functions. The laser projection system is based on a scanning piezo-actuated MEMS micromirror. The lighting module is targeting dynamic road lighting for automotive applications to improve the communication between road users. This system has been designed, manufactured, and characterized at Silicon Austria Labs. In this work, several 2D scanning micromirrors and red monochromatic light sources were investigated. For the micromirrors the quality factor, the figure of merit, the temperature coefficient of frequency and the presence of nonlinearities in the system have been studied. These parameters helped to refine modeling and simulations to improve future designs and microfabrication processes. To select a suitable light source, several red laser diodes where characterized. From an initial selection, three laser diodes were chosen. Those laser diodes were from Ushio, Sharp and an engineering sample from Osram. Aiming to study pulse mode operation at high-frequency (above 1MHz), characterization of several parameters were performed: average output power, pulse shape, wavelength, temperature of the mounting and housing of the characterized laser diodes.